• что изучает наука цитология;
• какое строение имеют клетки;
• что представляют собой вирусы.
Клетка – элементарная единица живого, обладающая всеми признаками организма: она способна размножаться, расти, обмениваться веществом и энергией с окружающей средой, реагировать на изменения, происходящие в этой среде. Одни организмы состоят всего лишь из одной клетки (простейшие, некоторые водоросли), а другие являются многоклеточными и состоят из огромного числа клеток. Изучением строения клетки и принципов её жизнедеятельности занимается наука цитология.
§ 5. Методы цитологии. Клеточная теория
1. Что такое клетка?
2. Каковы размеры клеток?
3. Какие приборы используют для изучения клеток?
4. Что такое фагоцитоз?
Методы цитологии. Для изучения анатомии и жизнедеятельности клеток применяют самые разнообразные методы. Исторически первым таким методом стала световая микроскопия. Первые микроскопы, в которых увеличение изображения создавалось за счет использования системы линз, были созданы в начале XVII в., однако только через полвека, в 1665 г., англичанин Роберт Гук применил микроскоп для исследования живых организмов и увидел клетки. Несколько позднее (в 1696 г.) Антони ван Левенгук в своей книге «Тайны природы, открытые с помощью совершеннейших микроскопов» описал эритроциты, сперматозоиды, микроорганизмы. Поэтому ван Левенгук и считается основоположником биологической микроскопии.
Световые микроскопы широко применяются и в настоящее время, однако с их помощью невозможно изучать объекты, размер которых меньше длины световой волны (400–800 нм). Дело в том, что световая волна не может быть отражена очень маленьким предметом, она просто обогнёт его. Поэтому у физиков возникла идея использовать вместо луча света пучок электронов, которые способны отражаться от мельчайших объектов. Так, в начале 30-х годов XX в. был создан электронный микроскоп, давший биологам возможность увидеть составные части клеток размером всего 1 нм. Для того чтобы получать объёмные изображения предметов, был сконструирован сканирующий электронный микроскоп (рис. 4).
Рис. 4. Сканирующий электронный микроскоп
Однако перед исследованием с помощью электронного микроскопа клетки необходимо подвергать особой обработке, в результате которой они погибают. Живую клетку таким образом изучать невозможно. В том случае, когда необходимо проследить за процессами, происходящими с живой клеткой в течение длительного времени, используют замедленную киносъёмку через мощные световые микроскопы.
Если требуется проследить за судьбой какого-либо химического соединения в клетке, то можно заменить один из атомов в его молекуле на радиоактивный изотоп. Тогда эта молекула будет иметь радиоактивную метку, по которой её можно обнаружить с помощью счётчика радиоактивных частиц или по её способности засвечивать фотоплёнку. Чаще всего в качестве радиоактивной метки используют изотопы водорода (3Н), углерода (14С) и фосфора (32Р).
Для выделения и изучения отдельных органоидов клетки используется метод ультрацентрифугирования: разрушенные клетки в пробирках вращают с очень большой скоростью в особых приборах – центрифугах. Так как разные составные части клеток имеют различные массу, размеры и плотность, то они под действием центробежной силы оседают на дно пробирки с разными скоростями. Таким методом выделяют митохондрии, рибосомы и некоторые другие органоиды клетки. В распоряжении учёных сейчас имеется также целый ряд химических и физических методов, позволяющих выделять и исследовать различные виды молекул, входящих в состав клетки.
Клеточная теория. В XVIII–XIX вв. основным «оружием» биологов был световой микроскоп. К середине XVIII столетия учёные создали систему увеличительных линз, позволяющих лучше разглядеть и подробнее описать исследуемые объекты. В 1781 г. Феличе Фонтана зарисовал клетки животных и их ядра, затем Ян Пуркинье описал клеточное ядро и ввёл термин «протоплазма» (от греч. protos – первый и plasma – оформленное). В 1838 г. вышла книга немецкого ботаника М. Шлейдена «Материалы к филогенезу», в которой он высказал идею о том, что клетка является основной структурной единицей растений, и ставил вопрос о возникновении новых клеток в организме. Основываясь на работах М. Шлейдена, немецкий физиолог Т. Шванн всего через год опубликовал книгу «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», в которой и была изложена первая версия клеточной теории. Ниже приведены основные пункты этой теории:
– все живые существа состоят из клеток;
– все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности;
– каждая клетка самостоятельна; деятельность организма является суммой процессов жизнедеятельности составляющих его клеток.
М. Шлейден и Т. Шванн ошибочно полагали, что клетки в организме возникают из неклеточного вещества. Поэтому очень важным дополнением к клеточной теории стал принцип Рудольфа Вирхова: «Каждая клетка – из клетки» (1859). Позднее Вальтер Флеминг описал митоз, Оскар Гертвиг и Эдуард Страсбургер независимо друг от друга пришли к выводу о том, что информация о наследственных признаках клетки заключена в ядре. В 1892 г. И. И. Мечников открыл явление фагоцитоза. Так, работами многих исследователей была создана современная клеточная теория, основой которой является клеточная теория Шванна. Положения современной клеточной теории:
– клетка является универсальной структурой и функциональной единицей живого;
– все клетки имеют сходное строение, химический состав и общие принципы жизнедеятельности;
– клетки образуются только при делении предшествующих им клеток;
– клетки способны к самостоятельной жизнедеятельности, но в многоклеточных организмах их работа скоординирована и организм представляет собой целостную систему.
Именно благодаря деятельности клеток в многоклеточных организмах осуществляется обмен веществ и энергии, рост и размножение.
Клеточная теория – одно из важнейших обобщений современной биологии.
Клеточная теория.
1. Любую ли клетку можно рассмотреть в световой микроскоп?
2. Чем электронный микроскоп отличается от светового?
3. Можно ли с помощью электронного микроскопа увидеть бактерию диаметром 20 мкм?
4. Кто открыл явление фагоцитоза?
5. Каковы основные положения современной клеточной теории?
Организм человека состоит приблизительно из 220 миллиардов клеток! Если все эти клетки выложить в один ряд, то этот ряд протянется на 15 000 км. Обычно клетки очень невелики; наименьшие из них имеют диаметр всего 0,5 мкм (шаровидные бактерии микрококки). Средними по размеру можно считать клетки диаметром от 20 до 100 мкм. Но клетки могут быть и очень крупными. Например, длина отростка нервной клетки – аксона – может достигать одного метра. Многоядерные волокна поперечнополосатой мышцы имеют длину до 10 см.
§ 6. Особенности химического состава клетки
1. Что такое химический элемент?
2. Сколько химических элементов известно в настоящее время?
3. Какие вещества называют неорганическими?
4. Какие соединения называют органическими?
5. Какие химические связи называют ковалентными?
Химические элементы клетки. По химическому составу клетки разных организмов и даже клетки, выполняющие различные функции в одном многоклеточном организме, могут существенно отличаться друг от друга. В то же время разные клетки включают в себя практически одни и те же химические элементы. Сходство элементарного химического состава клеток разных организмов доказывает единство живой природы. Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой природы. Это указывает на общность живой и неживой природы.
Из всех известных в настоящее время элементов таблицы Менделеева более половины обнаружено в составе клетки, т. е. это практически все элементы, присутствующие на нашей планете в сколько-нибудь значительном количестве. В то же время распределение этих элементов в клетках крайне неравномерно. Так, примерно 98 % от массы любой клетки приходится на четыре элемента: кислород (75 %), углерод (15 %), водород (8 %) и азот (3 %). Эти элементы составляют основу органических соединений, а кислород и водород, кроме того, входят в состав воды.
Около 2 % от массы клетки приходится на следующие восемь элементов: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор и сера. Остальные химические элементы содержатся в клетке в крайне малом количестве. Некоторые живые организмы способны накапливать определённые химические элементы. Так, например, некоторые водоросли накапливают иод, лютики – литий, ряска – радий и т. д.